Study of Internal Flow in the supersonic Nozzle by the Hydraulic Analogy

수력학적 상사를 적용한 초음속 노즐 내부 유동 연구

Though rocket nozzle flow is very important to the rocket performance, the direct measurement is very difficult because of high temperature and high pressure gas flow. Then the experiment utilizing the hydraulic analogy has been developed for such a problem. Supersonic flows through an axisymmetric De Laval nozzle of solid rocket motor was simulated in a 2-D sluice-type water-table designed and manufactured utilizing hydraulic analogy. Methods to minimize or account for non-analogous effects in the hydraulic system must be reviewed for the quantitative application of the hydraulic analogy. In this application the water table is inclined slightly, so that gravity acceleration has a small component in the direction of motion, thus compensating for the effect of friction. Flow visualization leads to better understanding of the analogous system. Within the experimental errors, it is shown that the hydraulic analogy can be used as an effective tool for the study of two dimensional isentropic flows of gases in many fields.

로켓노즐 유동은 성능에 대단히 중요한 영향을 미치나, 고온 고압의 가스 유동 특성으로 직접적인 측정이 매우 어렵다. 이러한 문제 해결을 위해 수력학적 상사(hydraulic analogy)기법이 개발되었으며, 본 연구에서는 고온 고압의 로켓 노즐 유동에 대한 수력학적 상사의 적용 가능성이 시험되었다. 로켓 모타의 축대칭 De Laval 노즐 내부 유동현상에 관한 연구가 수력학적 상사를 이용하여 설계된 2차원 수문형 시험장치(2-D Sluice-Type Water-Table)에서 수행되었다. 정량적인 시험을 위해서는 $k{\neq}2$인 기체 유동에 대한 비상사성 문제 해결이 필요하며, 본 연구에서는 시험대를 경사시켜 유동방향 중력가속도 영향을 감소시킴으로서 점성에 의한 비상사성 문제 해결을 시도하였다. 유동 가시화를 통해 수력학 상사에 대한 이해를 깊이할 수 있었으며, 수력학적 상사 실험(2차원 등엔트로피 유동)의 관련 분야에 대한 다양한 적용 가능성이 확인되었다.